王晨,胡亮亮,唐建軍,郭梁,任偉征,丁麗蓮,懷燕,王岳鈞,陳欣*
(1. 浙江大學生命科學學院,浙江 杭州 310058;2. 浙江省種植業(yè)管理局,浙江 杭州 310020)
現(xiàn)代農業(yè)在提高糧食產量的同時對資源環(huán)境產生了負面影響[1-2],因而現(xiàn)代農業(yè)如何在提高糧食產量和經濟效益的同時降低其對環(huán)境的負面影響、實現(xiàn)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展受到國際關注[3],人們試圖探討通過生物技術、精確農業(yè)技術、綠色化學技術、高效機械技術和農業(yè)生物多樣性利用技術等多個方面結合,促使現(xiàn)代農業(yè)轉型(Agriculture transformation),建立全球可持續(xù)的集約化農業(yè)系統(tǒng)(Sustainable Intensi fication of Global Agriculture)[4-7]。國內外研究表明,將水產動物養(yǎng)殖和農作系統(tǒng)進行結合的稻魚系統(tǒng)(本文中“魚”是各種水產生物的統(tǒng)稱,包括魚、蝦、螃蟹、鱉、泥鰍等),在穩(wěn)定水稻生產、減少化肥農藥使用、增加農民收入和提高農民種植水稻的積極性起著重要作用[8-10],發(fā)展稻魚系統(tǒng)已成為稻作區(qū)農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
稻魚系統(tǒng)廣泛分布于全球水稻種植區(qū)域內,其中以東亞的中國、日本,南亞的孟加拉國、印度和東南亞地區(qū)國家為主[11-12]。在中國,稻魚共生系統(tǒng)至少擁有1 200年以上的歷史,分布于浙江南部山區(qū)的“青田稻魚共生系統(tǒng)”2005年被聯(lián)合國糧農組織、環(huán)境發(fā)展署、全球環(huán)境基金等國際機構列入首批“全球重要農業(yè)文化遺產”[13-14]。近20年以來,我國稻魚系統(tǒng)迅速發(fā)展,成為淡水水產養(yǎng)殖的重要方式之一[15],稻魚系統(tǒng)也由傳統(tǒng)小型農戶經營向規(guī)?;?、市場化、品牌化的方向發(fā)展。尤其是進入2010年以來,以專業(yè)合作社、農業(yè)企業(yè)、家庭農場、種糧大戶為主體的新型農業(yè)經營主體開展稻魚生態(tài)種養(yǎng)的實踐,在以稻鯉為主的傳統(tǒng)稻魚系統(tǒng)基礎上,發(fā)展形成稻鱉、稻蟹、稻蝦和稻鰍等多種模式[8,14]。對這些由新型農業(yè)經營主體發(fā)展起來的、多類型的稻魚型農場的特征和效應進行深入分析,可為現(xiàn)代稻魚系統(tǒng)的健康發(fā)展提供借鑒和依據(jù)。
為此,本研究以有一定規(guī)模的(面積大于1 hm2)、所有權與經營權明確、具有合法的土地使用權和合法經營權的稻魚型農場為研究對象,分析稻魚種養(yǎng)型農場的基本特征、水稻與水產品產量、氮肥與農藥投入、經濟效益及投入產出效率情況,探討種養(yǎng)結合型農場的特征與效應,以期為農經學家、政府官員、農技人員和種養(yǎng)大戶等廣大從農工作者了解中國稻魚型農場的經營現(xiàn)狀提供基本情況。
本研究主要是針對全國一些規(guī)模大、產品佳、信譽好的稻魚種養(yǎng)農場和企業(yè)進行調查,并根據(jù)各地區(qū)稻魚種養(yǎng)型農場產品的有機認證、綠色認證和無公害認證的情況以及歷年統(tǒng)計的收益情況設置調查樣點,分別選取華東地區(qū)、華中地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)和西南地區(qū)中的農場作為調查對象。每個地區(qū)以省為單位,在每個省內選擇當?shù)鼐哂写硇缘爵~種養(yǎng)型農場田塊(以下稱“稻魚共作”)進行調查,同時選擇其周邊常規(guī)種植的水稻田塊(以下稱“水稻單作”)進行對比。本研究樣本主要來自西北地區(qū)(寧夏)、東北地區(qū)(遼寧、吉林)、華東地區(qū)(浙江、安徽、福建)、華中地區(qū)(湖北、湖南、江西)和西南地區(qū)(四川、重慶)等全國5大地區(qū)11個省(市)45個縣市,農場成對樣本(稻魚種養(yǎng)型和水稻單作)共153對。
于2016年和2017年對成對樣本(稻魚種養(yǎng)型農場和常規(guī)稻單作的農戶)進行訪問調查,主要內容包括水稻產量和水產品產量(農戶收獲所有經營土地面積上得到的總產量)、農事活動(施肥種類和使用量、農藥種類和使用量、飼料種類和使用量);農戶的文化程度和接受技術培訓的程度;生產過程中資金、勞動力和生產資料投入;產品商品化和市場流向等。
氮肥投入量用純N(kg/hm2)計算,農藥使用量以有效成分(kg a.i./hm2)計算。稻魚型農場和水稻單作農場之間的水稻產量、氮肥投入量、農藥使用和經濟總產出的差異均采用配對樣本T檢驗方法進行分析,采用的數(shù)據(jù)處理軟件是IBM SPSS Statistics 20.0;畫圖軟件采用Origin Pro 2017。
根據(jù)所調查農場稻田養(yǎng)殖的水產動物類型,將153個樣本稻魚種養(yǎng)型農場分為5種類型(表1),其中稻鯉種養(yǎng)農場占23%,樣本主要來自浙江、福建、四川和重慶等地,以山丘區(qū)為主;稻蟹種養(yǎng)農場占42%,樣本主要分布在東北的遼寧、吉林和西北的寧夏,氣候相對冷涼;稻蝦種養(yǎng)農場占16%,樣本主要來自湖北、安徽和湖南(長江中下游平原地區(qū));稻鱉種養(yǎng)農場占10%,樣本來自浙江、福建和湖北;稻鰍種養(yǎng)農場占8%,樣本主要來自四川等地。
表1 稻魚種養(yǎng)型農場的模式類型分布Table 1 Types and distribution of sampled rice- fish integrated farms in China
樣本分析表明,88%的稻魚種養(yǎng)型農場建立于2010年以后(表2);從經營的土地規(guī)模分布情況來看,農場土地規(guī)模主要分布在1~5 hm2之間,占比45.4%;其次是規(guī)模在5~10 hm2的農場,占比為28.8%;再次為規(guī)模在10~50 hm2的農場,占比為16%;農場規(guī)模在50~100 hm2或者大于100 hm2的農場數(shù)量最少,占比分別為5.4%和4.4%。而從組織形式看,所調研樣本中,稻魚種養(yǎng)型農場組織模式以農民專業(yè)合作社為主,其次是家庭農場和公司,3種組織模式分別占總調查樣本數(shù)的46.6%、29.4%和24.0%(表3)。
表2 稻魚種養(yǎng)型農場成立時間分布比例Table 2 The founded time of rice- fish integrated farms
從經營者的特征看,稻魚種養(yǎng)型農場經營者平均年齡為44 歲,61.4%的經營者年齡集中在40~50歲之間,50 歲以上的僅占10.2%(表3)。農場經營者教育程度主要集中在高中學歷,占比為51%;其次是具備??茖W歷的經營者,占比40.2%,高中學歷和??茖W歷合計占比91.2%,初中及以下僅占比2.8%,本科及本科以上占比6%(表3)。
圖1 稻魚種養(yǎng)型農場與相對應的水稻單作系統(tǒng)的水稻和水產品產量Fig. 1 Yields of rice and fish in rice- fish integrated farms and corresponding rice monoculture farms
相比于水稻單作,5種稻魚種養(yǎng)型農場的水稻產量表現(xiàn)為增產或穩(wěn)產效應(圖1)。配對樣本T檢驗結果表明,稻鯉(P=0.337)、稻蟹(P=0.855)和稻蝦(P=0.111)農場水稻產量與水稻單作農場幾乎相同,而稻鱉(P=0.015)和稻鰍(P=0.000)農場水稻產量則顯著高于水稻單作農場,分別增產3.77%和6.93%;同時,稻魚種養(yǎng)型農場還產出大量的水產品,5種模式平均水產品產量為(1.19 ± 0.08) t/hm2,其中稻鯉 (1.13 ± 0.07) t/hm2,稻鱉 (1.74 ± 0.22) t/hm2,稻蝦 (1.05 ± 0.06) t/hm2,稻蟹 (0.35 ± 0.01) t/hm2和稻鰍 (1.66 ± 0.02) t/hm2。
表3 稻魚種養(yǎng)型農場的若干特征Table 3 Some characteristics of rice- fish integrated farms in China
通過配對樣本T檢驗結果發(fā)現(xiàn),在稻魚種養(yǎng)型農場中,稻魚共作模式的氮肥投入顯著低于水稻單作模式(P=0.000)。稻魚共作模式氮肥平均投入為(128.40 ± 8.03) kg N/hm2,而周邊水稻單作氮肥平均投入為(193.45 ± 7.46) kg N/hm2,稻魚共作模式施氮量比水稻單作模式平均減少33.63%;其中,稻鯉共作、稻蟹共作、稻蝦共作、稻鱉共作和稻鰍共作相比于水稻單作,氮肥平均投入分別降低了31.55%、24.15%、25.71%、60.42%和27.55%(圖2)。
配對樣本T檢驗結果顯示,在稻魚種養(yǎng)型農場中,水稻單作模式的農藥投入顯著高于稻魚共作模式 (P=0.000)。稻魚種養(yǎng)型農場的水稻單作對照農藥平均投入為(15.42 ± 1.09) kg a.i./hm2,稻魚共作模式農藥平均投入為(6.21 ± 0.62) kg a.i./hm2,比水稻單作模式平均減少59.73%;其中,稻鯉共作模式比水稻單作模式農藥平均投入減少了62.58%;稻蟹共作模式比水稻單作模式農藥平均投入減少了55.05%;稻蝦共作模式比水稻單作模式農藥平均投入減少了70%;稻鱉共作模式比水稻單作模式農藥平均投入減少了67.27%;稻鰍共作模式比水稻單作模式農藥平均投入減少了69.95%(圖2)。
圖2 不同稻魚種養(yǎng)型農場氮肥投入(左)和農藥投入(右)Fig. 2 Application rate of nitrogen fertilizer (left) and pesticide (right) in different rice- fish integrated farms
稻魚種養(yǎng)型農場總經濟產出平均為(6.98 ± 4.12)萬元/hm2, 顯著高于水稻單作系統(tǒng)的經濟產出(平均為(2.60 ± 0.34)萬元 /hm2)。稻鯉(P=0.000)、稻鱉(P=0.003)、稻蝦(P=0.000)、稻蟹(P=0.005)和稻鰍(P=0.000)總經濟產出均顯著高于各自對應的水稻單作系統(tǒng)(圖3)
圖3 不同稻魚種養(yǎng)型經濟產出Fig. 3 Economic output in different rice- fish integrated farms
稻魚種養(yǎng)型農場總投入產出比為0.47 ± 0.16;水稻單作模式總投入產出比為0.66 ± 0.17;配對樣本T檢驗結果顯示,稻魚種養(yǎng)農場投入產出比顯著小于水稻單作模式投入產出比(P=0.000)。
不同稻魚種養(yǎng)型農場的投入產出比,與其對應的水稻單作模式的投入產出比相比較,模式之間表現(xiàn)出從差異顯著到沒有顯著差異的區(qū)別(圖4)。稻鯉種養(yǎng)模式投入產出比為0.34 ± 0.09,顯著低于對應的水稻單作模式(P=0.000);稻蟹種養(yǎng)模式投入產出比為0.55 ± 0.15,顯著小于對應的水稻單作模式(P=0.000);稻蝦種養(yǎng)模式投入產出比為0.51 ± 0.10,和對應的水稻單作模式無顯著性差異(P=0.360);稻鱉種養(yǎng)模式投入產出比為0.60 ± 0.15,和對應的水稻單作模式無顯著性差異(P=0.278);稻鰍種養(yǎng)模式投入產出比為0.35 ± 0.02,顯著小于對應的水稻單作模式投入產出比(P=0.000)。
不同模式之間的投入產出比相比,稻鯉農場平均投入產出比最低,即投入效率最高,依次是稻鰍、稻蝦、稻蟹、稻鱉農場,也即其利潤率依次為稻鯉>稻鰍>稻蝦>稻蟹>稻鱉農場。
圖4 不同稻魚種養(yǎng)型農場投入產出比Fig. 4 Input-output radio of different rice- fish integrated farms
以農戶為經營主體的稻田養(yǎng)魚生產實踐在我國有悠久歷史,在提高山丘區(qū)水產品供應和農村經濟方面發(fā)揮了重要作用[8,15]。但有一定規(guī)模、所有權與經營權明確、具有合法的土地使用權與合法經營權的稻魚型農場于上世紀90 年代中后期才逐步建立,2010年前后才是大發(fā)展時期[8,10]。本調查研究結果表明,88%的稻魚種養(yǎng)型農場建成于2010 年之后(表1),這與2010 年后國家出臺一系列的鼓勵促進政策有關。與以前的水稻單作經營和比較粗放的稻田養(yǎng)魚生產相比,這一次稻田綜合種養(yǎng)提升和推廣,表現(xiàn)為經營主體性質、經營規(guī)模、經營者素養(yǎng)等方面有了巨大的變化。本研究樣本中,稻魚型農場土地規(guī)模主要集中在1~50 hm2的范圍內,占比約90%,規(guī)模化程度較高;稻魚型農場以合作社為主要組織形式(占比46.6%),其次為家庭農場,再次為農業(yè)公司,專業(yè)合作社是目前比較主流的經營主體類型之一,成員責任共擔、公平共同獲利,有“小集體”的效能,也為技術人員聘任、購買農技服務創(chuàng)造了條件。
作為農場的經營者,其對于農場的發(fā)展理念和發(fā)展方向起著關鍵性作用,因此農場主的年齡、教育背景和從業(yè)時間也在本次的調研范圍之內。農場主的年齡和教育背景在一定程度上反映了其是新型農民或是傳統(tǒng)農民,是否接受過比較系統(tǒng)的專業(yè)知識教育,有沒有更廣闊的眼光。通常來講,年齡較大的農場主會以更為傳統(tǒng)的方式來經營農場,對于新生事物(新品種、新技術、新項目、新做法等)態(tài)度更偏于保守,而年齡更小些的農場主更可能會采用更先進的理念來經營農場。此外,農場主對于農場的經營模式也起著決定性的作用。Hu等[16]研究表明,傳統(tǒng)稻魚種養(yǎng)農戶平均年齡超過55 歲人數(shù)占50%以上,而本研究中農場經營者平均年齡為44 歲,40~50 歲之間的農場管理者比例為61.4%,50 歲以上的管理者只有10.2%,說明稻魚種養(yǎng)型農場的管理,太年輕或者太老成都不合適,闖勁和穩(wěn)重須同時具備,傳統(tǒng)單純種水稻和傳統(tǒng)稻魚種養(yǎng)農戶,年齡都普遍偏大。農場主的受教育背景反映了其是否具備專業(yè)知識和是否具備將生態(tài)農業(yè)的理念與新興的技術理論等應用到農場中的潛在能力或潛在可能性。調查中發(fā)現(xiàn),與非農場的普通種糧者比較,農場經營者接受教育程度較高,其中有碩士學位和海外留學經歷的7人,97.2%的農場主為高中及以上學歷,說明全國稻魚種養(yǎng)農場經營者的受教育程度普遍很高,具備發(fā)展農場的專業(yè)知識和文化水平。實際上,稻魚種養(yǎng)生產體系是一個高科技的行業(yè),不是簡單地將水產動物放養(yǎng)于稻田,而是需要實施品種的篩選、種養(yǎng)技術體系的建立,才能調節(jié)好作物和水產動物之間關系,產生稻魚共生效應[17-22]。
本研究結果表明,各類稻魚種養(yǎng)型農場的水稻產量高于水稻單作或與水稻單作持平,沒有表現(xiàn)減產情況,為糧食生產穩(wěn)定奠定了基礎,此外還額外輸出水產產品。本研究表明以農場為載體的規(guī)?;爵~生態(tài)種養(yǎng)可以顯著增加土地生產力。越來越多的研究結果也在證實不同類型稻魚種養(yǎng)的增產效果。如林傳政等[23]研究發(fā)現(xiàn)壟作稻魚共生方式水稻單產比普通稻作增產9.13%;安輝等[24]針對有機稻蟹共作進行試驗發(fā)現(xiàn),各處理的每穗粒數(shù)、結實率和千粒重均顯著高于水稻單作處理,分別增加11.90%、8.42%和3.94%,各處理水稻產量顯著大于水稻單作;羅衡[25]對比稻鱉種養(yǎng)和水稻單作試驗發(fā)現(xiàn),稻鱉綜合種養(yǎng)模式下水稻的產量、有效穗粒數(shù)均表現(xiàn)顯著提高;肖向予和李艷薔[26]試驗表明稻鰍共作種養(yǎng)模式相比于水稻單作理論產量提高了4.56 t/hm2,實際產量提高了3.83 t/hm2,理論產量和實際產量差異均顯著。張劍等[27]對稻魚共生系統(tǒng)的研究也表明,與水稻單作比較,稻魚共作處理顯著增加水稻分蘗期和灌漿期的葉片氮含量,延長分蘗期10~12 d,并顯著提高成穗率和產量。Hu等[16]對不同類型稻魚系統(tǒng)的綜合研究表明,建立合理的稻魚系統(tǒng)對穩(wěn)定水稻生產有著重要作用。
本研究中,稻魚型農場總經濟產出平均為(6.98± 4.12)萬元/hm2;與水稻單作產出相比,稻鯉、稻鱉、稻蝦、稻蟹和稻鰍型農產品總經濟產出分別提高205%、78%、156%、710%和480%。稻魚型農場總經濟產出高的原因,一方面在水稻產出相近的情況下額外產生水產品而增加產值;另一方面,由于稻—魚系統(tǒng)農藥化肥使用的大幅度減少(一些情況下甚至不用化肥農藥),飼料又以農家飼料為主(不含抗生素等),因而稻—魚系統(tǒng)產出較高質量的稻米和水產品,獲得較高的市場價格。本研究調查樣本中,一些稻魚型農場創(chuàng)建了有機產品或綠色產品品牌,如“蟹田香米”、“鱉稻米”、“龍蝦米”、“魚米香”、“稻花魚大米”等,這些品牌的創(chuàng)建明顯提高產品的價格[16]。投入產出比例的結果也表明,稻魚種養(yǎng)型農場的投入產出比明顯低于對應的水稻單作系統(tǒng)(圖4)。
本研究結果表明,稻魚種養(yǎng)型農場肥料氮的投入顯著低于水稻單作(圖2)。Hu等[18]研究發(fā)現(xiàn),稻魚系統(tǒng)中水稻和魚可以循環(huán)互補利用稻田氮素資源。一方面,投入的飼料氮素未能被水產生物完全利用,剩余在土壤的飼料氮在土壤微生物分解作用下釋放出來,被水稻吸收利用;另一方面,水產動物排泄物中的氮、磷等元素,可被水稻進一步利用,因而稻魚型農場在較低肥料氮投入的情況下仍能保持水稻穩(wěn)產和高產。吳敏芳等[19]研究也發(fā)現(xiàn)稻魚共作處理施用的氮肥量較水稻單作減少30%。我們前期的研究還表明,稻魚型農場農藥投入量比水稻單作減少55%~70%。Berg[9]對越南120個農戶的調查表明,稻—魚系統(tǒng)農藥的使用比水稻單作系統(tǒng)降低 43.8%;Xie等[10]通過試驗研究發(fā)現(xiàn),稻魚系統(tǒng)相比于水稻單作,農藥使用量降低68%。稻魚系統(tǒng)農藥使用減少的主要原因是水產動物可在一定程度上降低水稻病蟲害的發(fā)生[28-29],如Xie等[10]研究發(fā)現(xiàn),稻魚共作系統(tǒng)的稻飛虱密度、紋枯病發(fā)病率和雜草生物量相比于傳統(tǒng)水稻單作模式,分別降低44.74%,54.35%和93.57%。
稻魚種養(yǎng)型農場通過水產動物—水稻的相互作用和對資源的互補利用,在水稻產量穩(wěn)定的情況下氮肥和農藥用量下降,這一效應對降低水稻生產過程和水產養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境污染有重要意義。Xie等[10]研究表明,稻魚系統(tǒng)中水稻體內氮素32%來自飼料氮;而化肥氮的2.1%被稻田其他水生生物吸收,進一步為魚取食,從而減少了氮素在稻田的停留,減少了產生面源污染的風險。胡亮亮[30]通過穩(wěn)定性同位素示蹤實驗進一步證明,稻魚種養(yǎng)系統(tǒng)飼料中的氮素被水稻吸收利用,從而降低了飼料對環(huán)境的污染并極大地提高了氮素在系統(tǒng)中的利用效率。Zhang等[31]對稻鱉系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),在鱉單養(yǎng)的系統(tǒng)中,只有20.4% 的飼料氮和22.8% 的飼料磷被鱉利用,導致大量未被利用的飼料氮磷停留在環(huán)境中;而稻鱉系統(tǒng)中,部分停留在環(huán)境中的飼料氮磷被水稻吸收利用,一方面減少了水稻氮磷肥料的施用,另一方面,減少了面源污染的發(fā)生。
此外,研究還表明,稻魚種養(yǎng)型系統(tǒng)能較好保持土壤肥力[12]。Oehme等[32]報道,與水稻單作系統(tǒng)相比。稻魚系統(tǒng)土壤有機碳有增加趨勢,氮素無顯著差異。我們通過Meta分析研究了稻魚系統(tǒng)對土壤肥力的影響趨勢,在14個研究案例中,稻魚系統(tǒng)土壤有機質效應值(水稻單作相比)10個為正,4個為負(成果待發(fā)表)??梢?,稻魚種養(yǎng)型產生的土壤肥力效應值得深入研究。
稻漁共生技術體系是一個非常復雜的高科技集成體系,恰當?shù)纳锓N類組配、恰當?shù)纳飻?shù)量組配、恰當?shù)牡爵~空間占比、恰當?shù)乃使芾砗屯娥D策略是發(fā)揮稻魚共生效應、防止稻田養(yǎng)殖水產出現(xiàn)水面養(yǎng)殖導致面源污染問題重現(xiàn)的最重要的決定因素。對此,作者團隊作為主要完成人員完成的“稻田綜合種養(yǎng)技術規(guī)范”(通則),已經通過國家有關部門審批并于2018年元月1日開始實施[33]。該行業(yè)標準中就有對各項技術(包括溝通比、水肥管理、病蟲草害管理、水產投餌強度等)進行了詳細描述,這些標準也是保證稻漁共生發(fā)揮最佳生物互惠效應、提高資源利用效率,避免水產養(yǎng)殖導致面源污染的關鍵。
研究表明,以農民專業(yè)合作社、家庭農場、農業(yè)公司為經營主體的稻魚種養(yǎng)型農場是現(xiàn)代稻漁共生系統(tǒng)發(fā)展的重要趨向,經營者年輕化、知識化。相比于水稻單作,稻魚種養(yǎng)型農場的水稻產量表現(xiàn)為增產或穩(wěn)產效應,同時產出一定數(shù)量水產品;而且由于化學氮肥和化學農藥使用下降,稻谷和水產品質量得到市場認可,稻魚種養(yǎng)型農場的經濟產出高,投入產出比下降。
與傳統(tǒng)的以農戶為主體的稻魚系統(tǒng)相比,稻魚種養(yǎng)型農場是以農場為載體的、規(guī)?;彤a業(yè)化發(fā)展型稻魚系統(tǒng),往往采用標準化技術與產業(yè)化經營,能使稻魚系統(tǒng)經濟效益和生態(tài)效益顯著提高。因此,在未來發(fā)展中,要建立以農場經營為主的發(fā)展方向,確立產業(yè)化、規(guī)?;l(fā)展的主導模式,利用稻魚共生系統(tǒng)互惠互利的優(yōu)勢,更大化地促進經濟效益、生態(tài)效益和社會效益的提高,為現(xiàn)代生態(tài)循環(huán)農業(yè)的發(fā)展提供一個新的方向。
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